T形橡膠密封圈壓縮模優(yōu)化設(shè)計

方 鵬，胡阿林，白亞玲，王寵惠

（中航飛機起落架有限責(zé)任公司，陜西 漢中 723000）

0 引言

T 形橡膠密封圈是飛機起落架液壓系統(tǒng)裝置中重要的密封元件，其采用壓縮模模壓成型，零件材料為試5171，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，表面質(zhì)量要求高。之前模壓的零件存在尺寸超差、錯縫、飛邊過厚且去除困難、零件脫模困難、零件表面粗糙度高等問題，造成零件質(zhì)量不合格，交付困難。為解決零件當前存在的問題，保證零件按時保質(zhì)交付，經(jīng)分析、研究，通過優(yōu)化模具結(jié)構(gòu)、調(diào)整模具各型腔制造公差解決了生產(chǎn)過程中遇到的問題。

1 零件工藝分析

T形橡膠密封圈尺寸如圖1所示，一般公差按照HB 8233-2002-M2 執(zhí)行，外觀驗收標準為HG 6-409-1979。該零件用于往復(fù)運動的液壓密封組件中，工作面位于零件內(nèi)側(cè)和外側(cè)，表面質(zhì)量要求較高，分模縫處凹陷不超過0.03 mm，分?？p的質(zhì)量不能影響零件的密封使用功能。該零件為試5171純膠，其硫化時收縮方向指向軸心。從零件的形狀來看，其硫化收縮阻力比較均勻，該零件形體尺寸較大，所以設(shè)計模具時采用單型腔結(jié)構(gòu)。零件尺寸公差范圍小，幾何公差要求高，形狀不規(guī)則，模具的尺寸必須控制在合適的公差范圍內(nèi)，并合理設(shè)計模具結(jié)構(gòu)，以保證填料脫模方便、溢料順暢的同時使零件的尺寸和外觀質(zhì)量均符合設(shè)計要求。

圖1 T形密封圈

2 模具結(jié)構(gòu)設(shè)計

由于零件的形狀較復(fù)雜，表面質(zhì)量要求高，壓縮模的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。模具設(shè)計時，以零件的截面圖形為中心進行分型面的選擇和布局，如圖2所示，從分型面擴展到構(gòu)成模具型腔的幾個零件的相互位置和空間定位關(guān)系，再完善模具的總體結(jié)構(gòu)[1]。

圖2 圖1中 I處放大

2.1 模具設(shè)計方案一

設(shè)計的方案一模具結(jié)構(gòu)如圖3 所示，由下型芯1、下模板2、導(dǎo)柱3、上模板4、上型芯5、導(dǎo)柱6組成。上、下模均采用鑲件結(jié)構(gòu)，模具采用錐面定位，分型面選擇在1 處圓弧面（分型面3）和3 處平面，溢料槽的截面形狀為半圓形，沿型腔外邊緣開設(shè)一圈并引向模具外。

圖3 方案一模具結(jié)構(gòu)

模具成型零件的過程：在下模板2、上型芯5 的型腔部位分別圍上一條合適的預(yù)制膠料條，上模板4沿導(dǎo)柱3、導(dǎo)柱6與下模板2閉合，然后將整副模具放入平板硫化機上硫化成型。此結(jié)構(gòu)的優(yōu)點：①模具由鑲件組成，降低了復(fù)雜部件的加工難度和模具的維護成本；②合模過程簡單，且導(dǎo)柱導(dǎo)向不易造成模具磕傷碰傷。此結(jié)構(gòu)的缺點：①下型芯1 和下模板2、上模板4 和上型芯5 通過過盈配合裝配，使用一段時間后下型芯1、上型芯5容易松動錯位并在零件表面產(chǎn)生錯縫；②分型面3選擇在圓弧處（見圖3），零件飛邊去除時容易傷及其工作面；③溢料槽開設(shè)較少，多余膠料不能全部流出，影響飛邊厚度，容易造成零件高度尺寸超差，飛邊去除困難，即使去除飛邊，分?？p處的質(zhì)量已不符合檢驗要求。

2.2 模具設(shè)計方案二

設(shè)計的方案二模具結(jié)構(gòu)如圖4 所示，模具由下模板1、中模板2、上模板3、型芯4 組成，模具采用錐面定位，分型面共4 處，溢料槽的截面形狀為半圓形，開設(shè)在中模板的上、下平面，沿中模定位錐面外邊緣開設(shè)一圈并引向模具外。

圖4 方案二模具結(jié)構(gòu)

模具成型零件的過程：先將下模板1放好，依次將型芯4、中模板2 沿下模板1 的錐面放下，然后將預(yù)制的膠料條放入中模板2 和型芯4 形成的料室中，最后將上模板3 沿型芯4 的錐面合模，然后將整副模具放入平板硫化機上硫化成型。此結(jié)構(gòu)的優(yōu)點：①錐面定位精度高，零件同軸度能得到保證；②中模板2與型芯4形成一個料室，上模板3近似一個柱塞，成型零件時將膠料放入料室，通過上模板3擠壓即可使膠料充滿型腔，裝料過程簡單方便。此結(jié)構(gòu)的缺點：①上模板3 的錐度選擇過大使其下方太窄太尖，導(dǎo)致料室、柱塞的張角太大，膠料在受到上模板3擠壓時大部分膠料被擠出料室，浪費嚴重，需要少量多次加料才能裝料成功；②上模板3 兩側(cè)均為錐度，模具過定位，制造難度加大；③分型面1 和分型面4選擇不合適（見圖4），零件成型后飛邊去除困難，容易傷及密封工作面；④模具合模過程中沒有導(dǎo)柱優(yōu)先導(dǎo)向，容易碰傷模具。

2.3 優(yōu)化后模具設(shè)計方案

優(yōu)化后模具結(jié)構(gòu)如圖5 所示，由導(dǎo)柱、下模板、中模板、上模板、型芯、導(dǎo)柱、卸模環(huán)等部件組成。優(yōu)化后的方案結(jié)合前2 副模具結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點，分別從模具的定位方式、溢料槽結(jié)構(gòu)及分布、分型面位置選擇、增加卸模環(huán)、降低型腔表面粗糙度等環(huán)節(jié)進行了優(yōu)化并進行驗證。

圖5 優(yōu)化后模具結(jié)構(gòu)

（1）定位方式的選擇。優(yōu)化后的模具采用小角度錐面定位，定位精度高于導(dǎo)柱，對保證零件同軸度起到了關(guān)鍵作用。同時分別在下模板2、上模板4增設(shè)3 對導(dǎo)柱（固定段采用H7/s6 過盈配合，引導(dǎo)段采用H11/c11 大間隙配合）用于模具合模過程中的導(dǎo)向（不起定位作用），有效防止模具合模過程中的磕碰，延長了模具的使用壽命。

（2）優(yōu)化溢料槽結(jié)構(gòu)及分布。方案一、二設(shè)計的模具溢料槽距離型腔較遠，為有效降低零件模壓成型后的飛邊厚度及延長模具使用壽命，優(yōu)化后的模具將溢料槽設(shè)計成等腰梯形（見圖5 中IV 處放大），且邊緣距離型腔1 mm，分布在型腔內(nèi)外兩側(cè)并通過R2 mm 的半圓槽引出模具外。該結(jié)構(gòu)設(shè)計的優(yōu)點：①相比溢料槽距離型腔邊緣0.08～0.15 mm 的無飛邊模具，改進后的模具將溢料槽設(shè)計在距離型腔邊緣1 mm 處，不僅降低了模具加工難度，還可延長模具使用壽命；②有效減少了多余膠料在分型面上的堆積，減小T 形橡膠密封圈的飛邊厚度和降低飛邊修除難度，避免了繁雜的飛邊修除工藝，縮短生產(chǎn)流程；③有利于提高T 形橡膠密封圈表面分?？p處的質(zhì)量；④對保證T 形橡膠密封圈高度尺寸的穩(wěn)定性及防止高度超差起到了關(guān)鍵性作用。

（3）分型面位置的選擇。優(yōu)化后的模具分型面選擇圖5 中IV 處放大所示的位置（R0.5 mm 圓弧與直邊轉(zhuǎn)接處），共4處。這樣設(shè)計分型面可保證密封面上沒有分?？p，不會影響零件的密封功能。

（4）增加卸模環(huán)。在設(shè)計卸模環(huán)之前，操作人員通過手壓方式將中模板3、型芯5、T形橡膠密封圈分離，該方式費力且受力不均勻，容易擠傷零件表面或在表面留下壓痕。改進后的模具增加一個卸模環(huán)，如圖6所示。卸模過程如下：零件模壓結(jié)束后撬掉模具的上模板4、下模板2，T形橡膠密封圈卡在中模板3 和型芯5 中間，將卸模環(huán)放在硫化機的平板上，然后將模具放入卸模環(huán)內(nèi)，啟動硫化機即可將中模板3與T形橡膠密封圈分離，然后手動將T形橡膠密封圈從型芯5上取下。整個操作過程簡單方便且不會在T 形橡膠密封圈表面留下壓痕或擠傷表面。

圖6 優(yōu)化后零件卸模環(huán)

（5）降低型腔壁表面粗糙度。優(yōu)化后的模具型腔壁表面粗糙度值由Ra0.4 μm 降至Ra0.2 μm，T 形橡膠密封圈表面質(zhì)量大幅提高，脫模阻力大幅降低。

優(yōu)化后的模具成型零件的過程：先將下模板2放好，在型芯5 的型腔部位圍上一條合適的預(yù)制膠料條，沿導(dǎo)柱6 放入下模板2，再在中模板3 的型腔部位圍上一條合適的預(yù)制薄膠料片沿導(dǎo)柱1放入下模板2，最后合上上模板4并放入平板硫化機上硫化成型。

3 模具型腔尺寸計算

模具型腔尺寸的選取應(yīng)根據(jù)零件的尺寸和公差確定，并確定其制造公差。零件圖中各尺寸均設(shè)有制造公差，在計算模具型腔各尺寸前，先參照零件公差標準HB 8233-2002，判斷該零件各結(jié)構(gòu)尺寸的屬性（即辨別各尺寸是固定尺寸還是合模尺寸），然后再根據(jù)公差標準確定每個尺寸的公差。除零件高度為合模尺寸外，其余尺寸均為固定尺寸，按HB 8233-2002 表3 中M2 級公差，則φ179、R2、R3 mm的公差分別為±0.895、±0.15、±0.15 mm。

零件材料為試5171，其收縮率為：內(nèi)徑1.3%～1.7%；外徑1.6%～1.9%；平均1.4%～1.7%。T 形橡膠密封圈外徑φ185 mm，計算時取外徑收縮率的中間值1.75%，內(nèi)徑φ171 mm 和內(nèi)徑φ179 mm 計算時取內(nèi)徑收縮率的中間值1.5%，其余尺寸取平均收縮率的中間值1.55%。由于T 形橡膠密封圈的尺寸公差范圍橫跨（+）、（-）2 個區(qū)間，且為對稱分布，計算型腔尺寸時可不用考慮尺寸公差[1]。模具型腔部分尺寸計算如下：

DM1=φ185×（1+1.75%）±δ=（φ188.24±δ）mm

DM2=φ171×（1+1.5%）±δ=（φ173.57±δ）mm

DM3=φ179×（1+1.5%）±δ=（φ181.69±δ）mm

RM1=R3×（1+1.55%）±δ=（R3.05±δ）mm

RM2=R2×（1+1.55%）±δ=（R2.03±δ）mm

HM=14.4×（1+1.55%）±δ=（14.62±δ）mm

橡膠壓縮模型腔尺寸制造公差的設(shè)計原則：一般取零件尺寸公差的1/5～1/3[1]。此處按其1/4 進行選取，則模具型腔各尺寸制造公差分別為DM1：±0.125 mm，DM2：±0.125 mm，DM3：±0.224 mm，RM1：±0.038 mm，RM2：±0.038 mm，HM：±0.025 mm。

DM1、DM2、DM3三個尺寸的公差值對于模具型腔的加工精度偏大，需對其調(diào)整。構(gòu)成模具型腔的主要零件型腔面尺寸一般通過磨削加工完成，以保證尺寸的精度和型腔壁表面粗糙度值的要求[3]。

精磨的加工公差等級在IT2～IT5 級，按IT4 級考慮，依據(jù)標準GB/T 1800.1-2009 公差數(shù)值可知，加工范圍在120～180 mm，IT4 級的標準公差數(shù)值為12μm；加工范圍在180～250 mm，IT4 級的標準公差數(shù)值為14 μm。按此標準，上述計算所確定的制造公差不合理，須對其進行調(diào)整。

結(jié)合零件的使用功能、模具型腔的形狀結(jié)構(gòu)特點和各型腔面進行磨削加工的工藝特點（砂輪的修正、對刀及尺寸測量等）[4]，對型腔相關(guān)尺寸的制造公差調(diào)整如下：DM1：±0.04 mm，DM2：±0.04 mm，DM3：±0.04 mm，RM1：±0.03 mm，RM2：±0.03 mm，HM：±0.025 mm，DM2相對DM1的同軸度要求為φ0.03 mm?？紤]零件飛邊對高度尺寸的影響，將HM的公差范圍調(diào)整為。

調(diào)整尺寸及其公差使其既符合成型零件的設(shè)計原則，又符合切削加工的工藝要求。調(diào)整后的各個尺寸及公差分別如下

4 模具零件選材及熱處理要求

模具零件材料的選擇應(yīng)根據(jù)加工方式、服役條件、零件的質(zhì)量要求、零件生產(chǎn)批量、模具失效方式、模具交貨周期等方面考慮[2,5]。綜合各方面因素，優(yōu)化后模具的上模板4、下模板2、中模板3、型芯5選材為5CrNiMnMoVSCa 鋼，熱處理硬度為38～43 HRC[5-7]。模具型腔壁全部鍍鉻，鉻層厚度為0.005～0.01 mm，以提高型腔板的耐蝕性和耐磨性，其余表面均采用發(fā)藍處理[8-11]。

5 優(yōu)化效果

優(yōu)化后的模具采取錐面定位、降低型腔壁表面粗糙度、增加卸模環(huán)、合理開設(shè)溢料槽及合理控制型腔尺寸等措施，經(jīng)過試模驗證：模具結(jié)構(gòu)合理，動作方便可靠，模壓成型的零件滿足設(shè)計要求，零件的尺寸穩(wěn)定性和表面質(zhì)量大幅提高，零件脫模困難和飛邊去除困難等問題得到解決，零件合格率達98%以上。目前該模具已投入到零件的批量生產(chǎn)中，并廣泛應(yīng)用于多款類似零件的壓縮模結(jié)構(gòu)設(shè)計中。

6 結(jié)束語

分析了T形橡膠密封圈在之前模壓過程中存在的各種問題，通過不斷優(yōu)化模具結(jié)構(gòu)、降低型腔壁表面粗糙度及合理控制模具尺寸范圍，解決了T 形橡膠密封圈模壓成型過程中的操作難題和質(zhì)量問題，保證了起落架的交付進度，為類似零件的模具設(shè)計提供參考。